Электронный осциллограф. Общие сведения.

Электронный осциллограф (ЭО) – прибор для визуального наблюдения функциональной связи между двумя (или более) величинами. ЭО используется для наблюдения изменения тока или напряжения во времени, для измерения амплитуды напряжения (тока), частоты периодического сигнала, угла сдвига фаз между двумя сигналами, длительности и частоты повторения импульсов, характеристик электроэлементов и электрических (магнитных) материалов. ЭО также используется для исследования неэлектрических величин (при условии преобразования их в электрические сигналы).

ЭО позволяет исследовать сигналы в диапазоне частот от постоянного тока до 10¹⁰ Гц, амплитудой от 10^-4 до 10² вольт (без дополнительных устройств). Важным достоинством ЭО является его незначительное влияние на измеряемую электрическую цепь. Погрешность измерения осциллографом составляет 1…12 % и зависит от методики измерения.

Упрощенная функциональная схема ЭО представлена на рис. 2.1. Важнейшим элементом ЭО является электронно–лучевой прибор – электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), в которой с помощью системы электродов создается, ускоряется и фокусируется пучок электронов – электронный луч. Система электродов ЭЛТ включает в себя катод (К), модулятор (М), управляющий, фокусирующий электроды, первый и второй аноды.

Катод представляет собой, как правило, цилиндр, торец которого покрыт составом, способным активно испускать (эмитировать) электроны при нагреве. Нагрев осуществляется спиральным нагревателем, расположенным внутри цилиндра.

Электроны, эмитированные катодом, попадают в электрическое поле модулятора. Интенсивность электронного пучка прошедшего модулятор, а, следовательно, яркость свечения экрана, регулируется потенциалом модулятора относительно катода. Дальнейшая фокусировка электронов осуществляется электрическими полями управляющего, фокусирующего электродов и анодов. В результате, на выходе из системы электродов (часто её называют электронным прожектором) формируется узкий (иглообразный) луч (пучок) необходимой интенсивности. Далее электронный пучок проходит через две пары

отклоняющих пластин X1, X2 и Y1, Y2 и попадает на покрытый слоем люминофора экран (люминесцентный экран), вызывая его свечение. В зависимости от типа люминофора длительность свечения может составлять 10^-6…10 с.

При подаче напряжения на отклоняющие пластины X1, X2, электроны отклоняются в горизонтальной плоскости, на пластины Y1,Y2 – в вертикальной.

Связь между напряжением на пластинах U и смещением луча на экране y может быть выражена формулой, см. рис. 2.2:

(2.1)

Скорость электронов vo задаётся потенциалом ускоряющего электрода Uo и определяется из закона сохранения энергии:

(2.2)

где е и m – заряд и масса электрона.

Величина α_Y = y/U называется чувствительностью трубки. Обычно отклонение выражается в миллиметрах, а напряжение – в вольтах. Чувствительность трубок составляет величину порядка нескольких мм на вольт, поэтому для наблюдения слабых сигналов в осциллографах используются усилители вертикального отклонения (канала Y).

Изменяя напряжение модулятора, увеличивают или уменьшают яркость пятна на экране ЭЛТ, а изменяя напряжение на фокусирующем электроде – диаметр пятна. Напряжения изменяются с помощью ручек «Яркость» и «Фокус», расположенных на передней панели ЭО.

Если на отклоняющие пластины дополнительно подавать напряжение от специального источника, то изображение на экране можно перемещать влево – вправо, или вверх – вниз. Для этого используют ручки управления, обозначенные символами ↔, ↕.

Исследуемый сигнал редко подается на отклоняющие пластины непосредственно. Напряжение, пропорциональное входному сигналу, должно обеспечивать отклонение луча в пределах экрана. Для этого ЭО содержит входной переключатель SA1, обычно имеющий три положения, ступенчатый аттенюатор (делитель напряжения) и усилитель канала Y. При верхнем положении переключателя SA1 сигнал подаётся непосредственно на делитель (открытый вход); при нижнем – через разделительный конденсатор (закрытый вход). В усилителях канала Y имеется возможность ступенчатого и плавного изменения усиления исследуемого сигнала.

Для наблюдения на экране функциональной зависимости y=f(x) необходимо на горизонтально отклоняющие пластины подать напряжение, пропорциональное переменной x, а на вертикально отклоняющие пластины – напряжение, пропорциональное величине y. Тогда электронный луч будет описывать на экране линию, соответствующую исследуемой зависимости.

В случае подачи на пластины напряжений, описываемых гармоническими функциями, в зависимости от соотношения амплитуд, частот и начальных фаз, на экране получаются фигуры, называемые фигурами Лиссажу.

Люминофоры, используемые в универсальных ЭО, имеют малое время свечения, и глаз наблюдателя не успеет зафиксировать изображение. Поэтому необходимо заставить луч неоднократно повторить один и тот же путь по экрану, чтобы, вследствие инерционного зрения, наблюдатель смог увидеть неподвижный график зависимости.

Часто требуется наблюдать изменение физических величин во времени. В этом случае на горизонтально отклоняющие пластины подают напряжение, изменяющееся пропорционально времени (другими словами, можно считать горизонтальную ось осью времени). Для этой цели в ЭО имеется генератор развертки.

Напряжение, выдаваемое генератором, должно иметь вид, представленный на рис. 2.3. Такое напряжение называется пилообразным. За время возрастания напряжения t_пр электронный луч перемещается по экрану от крайнего левого положения на экране в крайнее правое. За время t_обр луч возвращается в исходное состояние. Обратный ход луча не просматривается благодаря подаче запирающего напряжения на модулятор ЭЛТ. Период колебаний генератора развертки регулируется ступенчато и плавно в широких пределах.

Если во время развёртки на вертикально отклоняющие пластины подать исследуемое напряжение, то луч начнёт отклоняться, и его положение на экране будет соответствовать мгновенным напряжениям на пластинах. При возвращении луча в исходное положение и следующем периоде генератора развёртки на экране появится новый участок временной диаграммы исследуемого сигнала. Если периоды исследуемого сигнала и генератора развёртки равны, то на экране осциллографа сформируется неподвижная кривая, соответствующая одному периоду колебаний сигнала. Если период развёртки в n раз (n – целое число) превышает частоту сигнала, то на экране появится n периодов сигнала. Сказанное иллюстрируется рис. 2.4, где n=2. Если указанные условия не выполняются, то осциллограмма будет перемещаться по оси Х (возникает «бегущее изображение»).

Условие кратности периодов может нарушаться в процессе работы из-за нестабильности, как генератора развёртки, так и исследуемого сигнала. Поддерживать нужное отношение периодов сигналов ручной регулировкой практически невозможно.

Поэтому в ЭО имеется специальная схема, называемая блоком синхронизации, который синхронизирует работу генератора развёртки исследуемым сигналом. Устойчивость изображения достигается синхронизацией работы генератора исследуемым сигналом. Синхронизация – это приведение двух процессов к такому их протеканию, при котором соответствующие моменты процессов (например, прохождение через нулевое состояние) совершаются с неизменным интервалом времени друг относительно друга. При внутреннем режиме синхронизации часть усиленного исследуемого сигнала подаётся на вход блока синхронизации, который запускает генератор развёртки в момент, соответствующий определённому напряжению на входе блока синхронизации, т.е. в момент, соответствующий определённой фазе исследуемого сигнала. Уровень (и полярность) этого напряжения выбирается регулятором (ручкой) «Уровень синхронизации». При внешнем режиме синхронизации сигнал, управляющий запуском генератора развёртки, подаётся извне, например, от внешнего источника сигнала частотой 50 Гц. Режим работы блока синхронизации задаётся отдельным переключателем режима.

На практике введение генератора развёртки в синхронизм проводят в два этапа. Сначала подбирают период колебаний генератора развёртки, а затем – уровень сигнала синхронизации.

При измерениях амплитуды и длительности сигналов с помощью масштабной сетки, расположенной перед экраном, необходима калибровка масштабов по осям Y и Х экрана осциллографа. Калибровки проводятся до начала измерений в соответствии с технической документацией на осциллограф.

Изложенное описывает устройство и принцип работы универсального одноканального ЭО. Достаточно широко распространены ЭО, имеющие два канала Y, например, С1-137, используемый в лабораторных работах. Работа каждого из каналов аналогична работе канала одноканального ЭО. Особенности устройства и эксплуатации конкретного ЭО изучаются по его документации.